du clinker

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du clinker

Électif 10
Mise en forme industrielle des
sols et matériaux granulaires
Les ciments, liants hydrauliques
Définition
Norme NF P 15-301 de 1994 :
« Le ciment est un liant hydraulique, c’est-à-dire une
matière inorganique finement moulue qui, gâchée
avec de l’eau, forme une pâte qui fait prise et durcit
par suite de réactions et processus d’hydratation et
qui, après durcissement, conserve sa résistance et
sa stabilité, même sous l’eau. »
Cours 2
2
Petit historique
Panthéon de Rome :
–
–
–
Cours 2
Construction : 27 av. JC, reconstruction : 125
Béton de chaux, pierre, brique, mortier
Chaux + cendres volcaniques de Pouzzoles
3
Petit historique
Louis Vicat (1786-1861) :
–
–
–
Recherche sur l’hydraulicité de la chaux
Travaux sur le clinker
1840 : fabrication de ciment industriel, 80%
de carbonate de calcium + 20% de silice
« 1er » pont en béton coulé,
Jardin botanique de Grenoble
Cours 2
4
Petit historique
Joseph Aspdin (1778-1855) :
–
Cours 2
Donne le nom de ciment Portland en référence à la pierre
calcaire de l’île de Portland
5
Plan
1.
Fabrication des ciments (liants hydrauliques)
2.
Composition du clinker
3.
Ajouts au clinker
4.
Normalisation des ciments
Cours 2
6
1.
Fabrication des ciments
Source : CIMBETON
Cours 2
1. Fabrication des ciments
8
1.
Extraction des matières premières
•
•
2.
Se fait en carrière
80% calcaire => carbonate de calcium
20% argile => silice, alumine et minerai de fer
Broyage du cru et cuisson
•
•
•
3.
Broyage très fin => le cru
Passage au four => le cuit
Refroidissement brutal (trempe) => le clinker
Broyage du ciment et expédition
•
•
•
Cours 2
Addition de gypse (3 à 5 %), pour réguler la prise =>
ciment Portland
Autres additifs éventuels
Broyage très fin => pour obtenir un « ciment pur »
9
•
Matières premières
–
–
•
Produit de la cuisson
–
–
•
Transformations chimiques
Granules de clinker
Produits d’addition
–
–
–
–
–
•
Cours 2
80% calcaire
20% argile
Gypse (régulateurs de prise)
Laitiers de haut fourneau
Fillers
Fumée de silice
…
Ciment
–
–
Broyage
Conditionnement
10
Extraction des
matières premières
•
Source de carbonate de calcium = roches calcaires
•
Source de silice, alumine, fer = argile
•
La marne = mélange naturel de calcaire et d’argile
•
Extraction en carrières
Cours 2
11
Préparation du « cru »
calcaire
argile
matières premières
Cours 2
Voie sèche ou
semi-sèche :
broyage
0,2 mm
le cru
Ajouts
éventuels :
bauxite ou
oxyde de fer
mélange
granules
Voie humide :
pâte
fluide
conditionnement
12
Cuisson du « cru »
1.
Préchauffage
1.
2.
2.
Déshydratation de l’argile
Début de la décarbonatation du calcaire
Cuisson
1.
2.
3.
Cours 2
Four rotatif incliné : ~ 80 m (voie sèche) / ~ 150 m (voie
humide), diamètre 5 m, tôle d’acier tapissée de briques
réfractaires à l’intérieur
Température de cuisson : 1450 °C
Temps de cuisson : ~ 1 h (voie sèche)
13
La trempe : refroidissement brutal du « cuit »
•
Sortie du four => granules de clinker
•
Clinker :
–
–
Phase solide = silicates
Phase liquide => aluminates après trempe
•
Air froid insufflé au clinker
•
Récupération de l’air réchauffé par le clinker
Cours 2
14
Ajout et broyage
•
Gypse : régulateur de prise
•
Laitier de haut fourneau
•
Cendres volantes
•
Fillers calcaires
Cours 2
15
2.
Le clinker
Composition chimique et
microstructure
2. Composition du clinker
• Composition du ciment :
–
–
–
–
–
–
–
–
Clinker
Gypse
Pouzzolanes
Cendres volantes
Fumée de silice
Fillers
…
• Ciment ordinaire :
– Ciment Portland = clinker + 3 à 5% de gypse
Cours 2
17
Composition du « cru » :
– Chaux CaO produit de la décarbonatation du calcaire :
CaCO3 (calcaire)
900 - 1000°C
CaO3 (chaux) + CO2
– Silice SiO2
source : argile
– Alumine Al2O3
– Oxyde de fer Fe2O3
– Alcalins : Na, K
Cours 2
18
Notations cimentières :
chaux
silice
alumine
oxyde de fer
Abstraction faite des « O »
Cours 2
19
Composition du « cuit » :
– Silicate bicalcique Ca2SiO4 (= C2S)
phase solide
– Silicate tricalcique Ca3SiO5 (= C3S)
– Aluminate tricalcique Ca3Al2O6 (= C3A)
– Aluminoferrite tétracalcique
Ca4Al2Fe2O10 (= C4AF)
phase interstitielle
liquide à 1400°C
– Alcalins : Na, K
Ca2SiO4 (= C2S) + CaO (= C)
Cours 2
> 1300°C
Ca3SiO5 (= C3S)
20
La trempe => durcissement des aluminates =>
silicates collés entre eux
Fabrication du clinker : combiner toutes les
molécules de CaO avec la silice, l’alumine et
le fer, pour former, à 1450°C, des silicates et
aluminates aux propriétés hydrauliques
Ciment Portland (ordinaire) = clinker + 5%
gypse broyés et mélangés
Cours 2
21
Composition « grossière » du clinker (% massique)
Cours 2
C3S
50 à 60%
C2S
20 à 30%
C3A
8 à 10%
C4AF
10 à 12%
22
Composition « fine » du clinker (en % massique)
CaO
60 à 67%
TiO2
0,2 à 0,4%
SiO2
18 à 22%
Na2O
0,2 à 0,4%
Al2O3
2 à 8%
K2O
0,2 à 0,8%
Fe2O3
1 à 6%
Chaux
libre
1 à 2%
MgO
1 à 2%
Cours 2
23
Section polie d’un granule de clinker observée au microscope optique :
• C3S : cristaux pseudo hexagonaux
• C2S : grains arrondis à surface lisse ou striée
400 microns
Cours 2
24
Section polie d’un granule de clinker observée au microscope optique (400 microns) :
400 microns
Cours 2
25
Surface de fracture d’un granule de clinker observée au microscope
électronique à balayage
Cours 2
26
3.
Additions au clinker
3. Additions au clinker
• Composition du ciment :
–
–
–
–
–
–
–
–
Clinker
Gypse
Pouzzolanes
Cendres volantes
Fumée de silice
Fillers
…
• Ciment ordinaire :
– Ciment Portland = clinker + 3 à 5% de gypse
Cours 2
28
Laitiers de haut fourneau vitrifié
•
Granulés ou bouletés
•
Sous-produit de l’industrie métallurgique
•
Produit hydraulique (fait prise avec de l’eau) => remplacement
du clinker
•
Composition :
–
–
–
–
•
40% CaO
35% SiO2
11% Al2O3
8% MgO (magnésie)
+ siliceux, - calcique que le clinker
Cours 2
29
Les pouzzolanes
•
« Pouzzolanique » => doit d’abord réagir avec la chaux pour
devenir hydraulique
•
Naturelles : cendres ou verres volcaniques
•
Artificielles :
– Cendres volantes de centrales thermiques au charbon
– Sous-produit de l’électrométallurgie du silicium (fumée de silice)
– Schistes calcinés
•
Composition (silico-alumineuse) :
– 45 à 70% SiO2 (90 à 95% pour la fumée de silice)
– 10 à 25% Al2O3
– Jusqu’à 10% d’alcalins (Na2O et K2O)
Cours 2
30
Les fillers calcaires
• Roches calcaires finement broyées
• Rôle de remplissage
• Composition : > 75% CaCO3
Cours 2
31
Diagramme de Rankin
Cours 2
32
4.
Normalisation des ciments
Cours 2
33
4. Normalisation des ciments
Cours 2
34
Les types de ciment
Norme NF EN 197-1,
article 6, tableau 1
Cours 2
35
Les classes de résistance
Cours 2
36

du clinker

Transcription

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